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使用Biot和Darcy型模型观察纳米纤维膜的声学和相关非声学行为之间的关系

ProAcoustics Prosynx 2023-02-13

吸声体和吸音材料通常用于控制声音水平,以使用户感到舒适、符合法规要求或在家庭和商业空间中提供音频保密性。通常,这些吸音材料以泡沫或玻璃棉层的形式出现。为了有效地控制低频噪音,例如在汽车或飞机的发动机噪音中,需要相对较厚的多孔材料层,我们会找到更符合环保、更轻和更薄的吸声材料,从而满足声学性能指标。
 
纳米纤维是一种很有应用潜景的材料,通过相对薄的多孔层实现高吸声性能。纳米纤维非织造材料通常由选定的聚合物组成,并使用静电纺丝等方法制造。这些纤维由随机取向的无限长的网构成,并且它们很细,通常比人的头发小约500倍,即远小于1mm。纤维的纳米直径导致成型材料具有显著的更高的表面积和对气流的抵抗力,从而产生了吸声效果。
 
但是,对于纳米纤维材料应用于声学的背后的基础科学的理解是有限的。由于两个原因,对纳米纤维膜的声学和非声学特性进行建模特别具有挑战性。首先,与表征膜的关键固有材料参数(例如膜厚度、密度和孔径)相关的困难很多。其次,这些膜通常缺乏足够的厚度和足够高的刚度,无法使用标准方法来测试其声学性能。结果,普遍缺乏关于纳米纤维介质的声学和相关的非声学性质的研究论文与成果。现有出版物通常会提供这些介质的扫描电子显微镜(SEM)图像以及吸声系数或传输损耗数据。这些工作经常会详细地讨论了纳米纤维的生产过程,引用纤维直径的数据并测量了纤维的表面密度,产生了纳米纤维膜。然而,通常很少或几乎没有关于材料的孔结构、膜厚度或堆积密度的详细信息。没有做出任何努力来使用有效的理论或半经验模型解释所观察到的纳米纤维膜的声学性能。
 
谢菲尔德大学机械工程系A. Hurrell、K.V.Horoshenkov和萨里大学电子电气工程系先进技术研究所S.G. King、V. Stolojon等人发表在Applied Acoustics上的“On the relationship of the observed acoustical and relatednon-acoustical behaviours of nanofibers membranes using Biot- and Darcy-typemodels”的工作试图弥补这一研究领域的空缺,并突出显示与这些材料的声学和相关非声学特性相关的问题。这项工作有可能是学术界第一次应用比翱(Biot)模型和Darcy型数学模型来解释观察到的纳米纤维的声学和相关非声学行为。它确定了与物理现象有关的理论空缺,这些空缺可能是造成纳米纤维膜的声学行为的原因,并提出了填补这些空缺的建议。这项工作的新颖之处在于使用了强大的理论模型来解释放置在泡沫基材上的纳米纤维薄膜的声学特性。使用该模型,可以从声学数据估算出纳米纤维的实际流阻。已经证明,当Knudsen数大于0.02时,即当纳米纤维的直径变得与平均自由程相当时,用于纤维介质的流阻的经典模型将不起作用。
 

图文快览


表1:用于此项研究工作的膜合成的静电纺丝条件。标有I的膜是通过与NXTNano合作获得的,它们是商业材料,因此无法共享其合成细节
图1:根据ISO10534-2的阻抗管中的实验布置,用于研究纤维膜的声学特性

图2:三聚氰胺泡沫基材的16毫米层的实反射率和虚反射率的实部和虚部之间的比较
表2:用于安装膜以进行声学测试的三聚氰胺泡沫基材的材料性能
图3:膜被切成大尺寸并放置在管中的基片上。插入时,阻抗管的配合面可确保紧密密封。
图4:可以看到膜包裹着直径为45mm的三聚氰胺基材。膜的折叠也可以看作是相对于其他区域中的曲线的笔直部分
图5:样品CD1的边缘厚度会由于边缘滚动,不均匀切割而产生变化,并且由于沉积的随机性会导致自然变化。右图(R)中较暗的灰色下部对象是用于支撑样本的Leit-C Plast
图6:使用低温恒温器制备并使用Leit-CPlast安装的11gsm TPU纳米纤维膜边缘的SEM显微照片
图7:纳米纤维膜对16 mm厚的三聚氰胺泡沫层的实部和虚部的影响。线对应于理论拟合,点和十字对应于测量数据
8:纳米纤维膜(15 kVPMMA22 lm厚)对16 mm厚的三聚氰胺泡沫层的吸声系数(上)和复杂表面阻抗(下)的影响
 表3:此项工作研究的纳米纤维膜的关键非声学参数
 图9:表3列出了针对纳米纤维介质参数预测的Kozeny Carman方程中的归一化流阻率和孔隙率项。这些标记以图形方式说明了函数(10)和(11)(即Kozeny-Carman的左右部分)的依赖性。实线表示针对典型的纳米纤维膜孔隙率/¼0:8计算的函数f 1的值

结论
在这项工作中,制造了一系列纳米纤维膜,并首次使用标准实验室设置和在声波在多孔介质中传播的经典模型,系统地研究了它们的声学和相关非声学特性。这项工作的新颖性是三方面的。首先,它使用鲁棒的理论模型来解释观察到的放置在泡沫基材上的纳米纤维薄膜的声学性能。其次,它使用声学数据来估算纳米纤维的实际流阻。第三,它证明了当Knudsen数大于0.02时,用于纤维介质的流阻经典模型不起作用。那么纳米纤维的直径就可以与平均自由程相媲美。
 
这项研究还表明,这个看似简单的系统的声学特性的预测远非易事。此项工作的发现表明,不能使用诸如Kozeny和Carman提出的经典模型来预测纳米纤维的流阻。对于这些材料,流阻率和孔隙率项的行为与由大于2-3lm的纤维制成的多孔介质的预期相差几个数量级。似乎对防滑效应的补偿不能充分解释根据我们的声学数据估计的纳米纤维的流阻率下降。
 
这种行为可能有几个原因。首先,当处理这种高阻介质时,尚未完全了解周向间隙对通过阻抗管实验获得的声学数据质量的影响。其次,这些膜的厚度可与粘性边界层的厚度相提并论。第三,随着纤维直径的减小以形成纳米孔网络,吸附作用可能变得很重要。因此,尚不清楚基于达西定律的Kozeny-Carman型模型是否有效地准确预测这些细小纤维对空气直接流动的阻力。在本工作采用的模型中未考虑这些影响。在膜厚度测量中也存在很高的不确定性,并且纳米纤维排列的均匀程度还没有被完全理解。这些因素也可能影响我们的发现。
 
还可以建议需要重新设计ISO10534-2设置,以能够精确测量纳米纤维膜的声学特性。新的设置必须以微米精度控制周向气隙,以确保它与通常小于一微米的膜孔径相当。新的设置还应该能够测量膜的结构振动或将其最小化。这种振动可能是由入射声场引起的,很难用模型准确地解释。同样,现有的ISO 9053设置也不适合测量纳米纤维膜的流阻。已经为此目的开发了专门的装置,但是这些装置被设计成以比可听范围内的入射声波所期望的流速大得多的流速进行操作。


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